Tijdsverwijderingseffecten in de natuurkunde begrijpen

Tijdsverwijding is het fenomeen waarbij twee objecten die ten opzichte van elkaar bewegen (of zelfs gewoon een andere intensiteit van het zwaartekrachtsveld van elkaar) verschillende snelheden ervaren.

Relatieve snelheidstijd Dilatatie

De tijdsdilatatie gezien als gevolg van relatieve snelheid komt voort uit speciale relativiteitstheorie. Als twee waarnemers, Janet en Jim, in tegengestelde richting bewegen en als ze elkaar passeren, merken ze op dat het horloge van de andere persoon langzamer tikt dan het zijne. Als Judy met dezelfde snelheid in dezelfde richting naast Janet zou rennen, zouden hun horloges in dezelfde snelheid tikken, terwijl Jim, in de tegenovergestelde richting, beide langzamer tikkende horloges ziet. De tijd lijkt langzamer te gaan voor de persoon die wordt geobserveerd dan voor de waarnemer.

Gravitatietijdverwijding

Tijdsverwijding vanwege het feit dat het zich op verschillende afstanden van een zwaartekracht bevindt, wordt beschreven in de algemene relativiteitstheorie. Hoe dichter je bij een zwaartekrachtmassa bent, hoe langzamer je klok lijkt te tikken naar een waarnemer verder van de massa. Wanneer een ruimteschip een zwart gat van extreme massa nadert, zien waarnemers de tijd vertragen om voor hen te kruipen.

Deze twee vormen van tijdsdilatatie combineren voor een satelliet die rond een planeet draait. Enerzijds vertraagt ​​hun relatieve snelheid ten opzichte van waarnemers op de grond de tijd voor de satelliet. Maar de grotere afstand van de planeet betekent dat de tijd sneller gaat op de satelliet dan op het oppervlak van de planeet. Deze effecten kunnen elkaar opheffen, maar kunnen ook betekenen dat een lagere satelliet trager lopende klokken heeft ten opzichte van het oppervlak, terwijl satellieten met een hogere baan klokken hebben die sneller lopen ten opzichte van het oppervlak.

Voorbeelden van tijdsdilatatie

De effecten van tijdsdilatatie worden vaak gebruikt in sciencefictionverhalen, die dateren uit minstens de jaren 1930. Een van de vroegste en meest bekende gedachte-experimenten met tijdsdilatatie is de beroemde Twin Paradox, die de merkwaardige effecten van tijdsdilatatie op zijn meest extreme manier demonstreert.

Tijdsuitzetting wordt het duidelijkst wanneer een van de objecten met bijna de snelheid van het licht beweegt, maar het manifesteert zich met nog lagere snelheden. Hier zijn slechts een paar manieren waarop we weten dat tijdsdilatatie daadwerkelijk plaatsvindt:

• Klokken in vliegtuigen klikken met andere snelheden dan klokken op de grond.
• Een klok op een berg zetten (dus omhoog brengen, maar stationair houden ten opzichte van de klok op de grond) resulteert in iets andere snelheden.
• Het Global Positioning System (GPS) moet worden aangepast voor tijdsdilatatie. Op de grond gebaseerde apparaten moeten communiceren met satellieten. Om te werken, moeten ze worden geprogrammeerd om de tijdsverschillen te compenseren op basis van hun snelheden en zwaartekrachtsinvloeden.
• Bepaalde onstabiele deeltjes bestaan ​​voor een zeer korte periode voordat ze vervallen, maar wetenschappers kunnen zien dat ze langer duren omdat ze zo snel bewegen dat tijdsdilatatie de tijd betekent dat de deeltjes "ervaren" vóór het verval anders is dan de tijd die wordt ervaren in de in rust laboratorium dat de waarnemingen doet.
• In 2014 heeft een onderzoeksteam de meest precieze experimentele bevestiging van dit effect aangekondigd die tot nu toe is bedacht, zoals beschreven in a Wetenschappelijke Amerikaan artikel. Ze gebruikten een deeltjesversneller om te bevestigen dat de tijd voor een bewegende klok langzamer gaat dan voor een stilstaande klok.